循环流化床锅炉空预器堵灰原因分析及处理

0引言

目前火电厂对NOx的控制采用的主流技术分为炉内低氮燃烧技术和炉外脱硝技术，炉外脱硝技术主要有选择性还原技术（SCR）和选择性非还原技术（SNCR）2种。这两种技术虽可通过炉内燃烧控制NOx的生成，借助SCR或SNCR系统来有效控制NOx排放，但易出现氨逃逸率大问题，过量NH3与锅炉燃烧产生的SO3结合生成NH4HSO4，引起空预器堵灰，影响锅炉机组的安全经济运行。为抑制NH4HSO4的生成，有必要对SO3的生成机理进行分析，以寻求解决空预器堵灰的途径。

1SO3的生成机理

煤中硫一般以无机硫、有机硫和单质硫3种形态存在，其中无机硫分为硫化物和硫酸盐，占总硫份额60%~70%；有机硫分为二硫化物和硫醇等，占总硫份额30%~40%；单质硫很少。参与锅炉燃烧的是无机硫中的FeS2、有机硫和单质硫。

1.1SO2生成机理

煤燃烧产生的SO2主要来自无机硫中的FeS2、有机硫、单质硫的氧化及中间产物SO、H2S和CS2、COS的氧化。

FeS2在氧化氛围中生成SO2；在还原氛围中，一部分自生分解，另一部分与H2、CO作用生成FeS、H2S、COS和S2。有机硫在氧化氛围中生成SO2，还原氛围中生产H2S、COS。单质硫氧化生成SO，SO最终氧化为SO2。COS是CS2的中间体，最终在氧化氛围中生成SO2。

1.2SO2氧化成SO3的机理

SO2转化为SO3在炉膛内完成，SO2在高温区与氧原子作用生成SO3，火焰温度越高，氧原子浓度越高，在高温区停留时间越长，生成的SO3越多。SO3的生成还受各种因素的制约。

富燃料燃烧时，SO3的生成速率相对较小，这是由于燃烧环境抑制了SO2向SO3的转化。因此，采用低氧分级燃烧有助于减小SO3的生成量。

2锅炉空预器堵灰情况

某电厂锅炉为东方锅炉股份有限公司设计制造的DG1089/17.4-Ⅱ1型亚临界、中间再热、自然循环锅炉。脱硫方式为炉外脱硫，脱硝方式为SNCR，脱硝介质为尿素。空预器为管式空预器。2019年2号机组临修期间，发现锅炉两侧空预器积灰严重（见图1）。对积灰成分进行了化验，结果见表1所示。

由表1可以看出，位于空预器一次风上部、中部、下部积灰中的硫酸酐质量分数分别为7.046%、6.654%、16.31%，上部、中部差别不大，下部突然增大。一次风下部位于距空预器下端500~800mm，该位置NH4HSO4黏性最强。空预器一次风上部、中部、下部450℃灼烧减量分别为3.33%、36.83%、46.39%，从上到下逐渐增大。450℃正好位于NH4HSO4的分解温度范围内。

3空预器入口SO3生成的影响因素分析

为了解空预器入口SO3分布情况，分4个负荷工况对空预器入口烟气参数进行测试，具体数据见表2。在测试期间对燃煤指标进行化验，数据见表3。由表3可知，不同负荷工况下，煤中硫分基本变化不大，发热量变化很小，煤质稳定。

3.1负荷

图2和图3分别为SO2、SO3生成趋势图，由图2和图3可以看出，SO2、SO3生成量随着负荷的增大而增大。负荷由160MW升到200MW时，SO2和SO3生成速率相对较大，这可能与床温的变化有关。

3.2床温

为了更好体现SO3的生成情况，通过煤质、烟气量换算得到SO3转化率，具体见表4。

床温由895℃升到919.32℃时，SO3生成速率较大，而床温由919.32℃升到969.51℃过程中，SO3的生成速率相对较小且平稳，说明床温919.32℃是生成SO3生成速率变化的转折点。这个温度正好与有机硫的分解温度相差10℃以上，可能与炉内燃烧环境影响有关，导致有机硫的实际分解温度低于理论分解温度（930℃）。

3.3氧量

为了分析氧量对SO3转化率的影响，本次试验在310MW负荷下，保持其他参数不变，只改变氧量，观察SO3的生成情况，具体数据见表5。

从表5看出，各负荷下床温变化不大，CO体积分数变化相对较大，在氧量1.0%时，CO体积分数最大，为287.54×10-6；氧量增至1.8%时，CO体积分数为0；氧量为1.0%~1.8%时，锅炉处于富燃料燃烧；而氧量为1.8%~2.5%时，锅炉处于富氧燃烧。氧量在1.0%~1.8%时，SO3体积分数属于上升趋势；氧量在2.0%时，SO3体积分数似乎到达了最大值；氧量在2.0%~2.5%时，SO3的生成速率有微弱下降趋势，说明富燃料燃烧有助于抑制SO3生成。

3.4试验结论

通过分析机组负荷、锅炉床温、氧量对SO3生成的影响，得出以下结论：SO3的生成量随着负荷的增加而增加，但在实际运行中机组负荷受电网的影响二不可控；锅炉床温与有机硫的分解有直接关系，对SO3的生成有决定性的影响；合理的氧量可以抑制SO3的生成，运行中可以通过控制合适的氧量来降低SO3的生成，从而有效降低空预器堵灰的风险。为了保证锅炉效率及机组的安全运行，氧量要保持一定裕度。2号锅炉氧量应维持1.2%~1.5%，这样既抑制了SO3的产生，又保证了锅炉效率。

4SO3抑制措施

SO3是生成NH4HSO4的主要原因。为了抑制NH4HSO4的产生，须从减少SO3的生成入手，从而起到缓解空预器及其他下游设备堵灰和腐蚀的压力，抑制SO3生成的措施主要有以下方面。

4.1控制锅炉床温

控制床温能够有效减少SO3的生成。循环流化床锅炉床温一般控制在850℃，既能保证锅炉高效运行，又能减少NOx和SO3的产生。

4.2控制入炉煤粒径

入炉煤粒径是衡量锅炉燃烧状况的一个重要指标，如果粒径合适，锅炉床温均匀，流化较好，一次风会大幅下降，为低氧燃烧创造条件。本次试验由于现场没有筛分系统，粒径不能保证，导致床温不均匀，甚至达到1039℃，在这个温度区域NOx、SO2和SO3生成速率较高。为了防止大颗粒沉积引起排渣困难和造成结焦风险，只能增大一次风。由表3可知，一次风相对较大，应该加装筛分系统，以保证锅炉稳定燃烧。

4.3采用低氧分级燃烧

低氧分级燃烧对抑制NOx和SO3的产生作用明显，NOx和SO3的减少降低了空预器堵灰的可能。为了实现低氧分级燃烧，需要对二次风进行改造：提高二次风喷口，拉大二次风喷口距离；适当缩小底层二次风量，加大上二次风量；喷口缩颈、减小倾斜角，从而提高锅炉燃烧的穿透力。

4.4加强煤质的管理

煤质是影响锅炉燃烧的最重要因素，应该加强煤质管理，保证煤质稳定。燃烧低硫煤是降低SO2和SO3最直接方法。

4.5监视风帽状态

风帽运行的好坏直接影响锅炉的燃烧状况，因此应在大修期间做好风帽的维修工作。

4.6检查返料系统

返料系统是调节锅炉床温的重要系统，其运行情况直接影响床温的控制效果。低负荷下2号锅炉床温较高，应及时检查返料系统，必要时进行改造。改造时要考虑锅炉效率和传热情况等多种因素，使床温维持在合理区间，从而降低SO2和SO3的生成速率。

5调整效果

采用上述措施对循环流化床锅炉燃烧进行调整后，空预器堵灰问题得到明显改善，引风机电流减小，空预器前后差压明显下降（见表6），不仅满足了锅炉运行的经济性，而且提高了锅炉运行安全性，避免了因空预器堵灰而引起停机的危险。

6结语

通过对某电厂2号锅炉进行燃烧试验调整，验证了负荷、床温和氧量对SO2及SO3生成量的影响，针对试验结果，提出抑制SO3生成、进而减少NH4HSO4生成量的措施，缓解了锅炉空预器堵灰的风险，对同类型机组也具有一定的借鉴意义。